仪表放大器工程师指南

1、仪表放大器应用工程师指南A DESIGNERS GUIDE TO INSTRUMENTATION AMPLIFIERS第 2 版aw w w . a n a l o g . c o m 仪表放大器应用工程师指南A DESIGNERS GUIDE TO INSTRUMENTATION AMPLIFIERS第 2 版美Charles Kitchin 和 Lew Counts 著冯新强刘福强蒋晓颖刘竞秀等译高光天审校美国模拟器件公司Analog Devises ,Inc.iAll rights reserved. This publication, or parts thereof, may not

2、 be reproduced in any form without permission of the copyright owner.Information furnished by Analog Devices, Inc. is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices, Inc. for its use.Analog Devices, Inc. makes no representation that the Interconnec- tti

3、on of its circuits as described herein will not infringe on existing or future patent rights, nor do the descriptions contained herein imply the granting of licenses to make, use, or sell equipment constructed in accordance therewith.Specifications and prices are subject to change without notice.200

4、4 Analog Devices, Inc. Printed in U.S.A.G02678159/04(A)Simplified Chinese language edition by Analog Devices, Inc. Copyright 2005本书中文简体专有翻译权由 ADI 公司所有，未经许可不得以任何形式或手段复制或本书内容。ii目录第I章仪表放大器的基本原理1-1前言1-1仪表放大器与运算放大器的区别是什么？1-1信号放大与CMR1-1运算放大器与仪表放大器的CMR比较1-3差分放大器1-5在何处使用仪表放大器和差分放大器？1-5数据采集1-5医用仪器1-6监测和控制电子设

5、备1-6软件编程方面的应用1-6音频方面的应用1-6高速信号调理1-6视频方面的应用1-6功率控制方面的应用1-6仪表放大器的外部特性1-6表征高品质仪表放大器的其它特性是什么？1-7高AC（和DC）CMR 1-7低失调电压和低失调电压漂移1-7匹配的高输入阻抗1-8低输入偏置电流和低失调电流误差1-8低噪声1-8低非线性1-8增益选择方便1-8充裕的带宽1-8差分输入到单端输出的转换1-9R-R输入和输出1-9电源与带宽、转换速率和噪声之间的关系1-9第章仪表放大器的内部原理2-1单运放减法器提供的仪表放大器功能2-1用输入缓冲器改进简单减法器2-1三运放仪表放大器2-2三运放仪表放大器设计

6、考虑2-3基本的双运放仪表放大器2-4双运放仪表放大器单电源共模电压制设计考虑2-5自稳零仪表放大器2-6第章单片仪表放大器3-1优于用运放构成的仪表放大器3-1采用仪表放大器还是差分放大器？3-1单片仪表放大器设计内部原理3-2高性能仪表放大器3-2固定增益仪表放大器3-7低成本仪表放大器3-8单电源仪表放大器3-8低功耗、单电源仪表放大器3-11iii第章单片差分放大器4-1差分（减法器）放大器4-1高频差分（）放大器4-6第章仪表放大器的应用技巧5-1双电源工作5-1单电源工作5-1电源旁路、解耦和稳定性问题5-1输入接地返回的重要性5-1AC 输入耦合5-2阻容元件匹配5-2电缆终端5

7、-3仪表放大器的输入保护基本原理5-3防ESD和DC过载的输入保护5-3用外接二极管对输入保护5-5防ESD和瞬态过载的输入保护5-5影响DC精度的设计问题5-6对最低限失调电压漂移的设计5-6对最低限增益漂移的设计5-6实际解决方案5-7方案1：采用优质的增益电阻器5-7方案2：采用固定增益的仪表放大器5-7RTI和RTO误差5-7失调误差5-8噪声误差5-8降低仪表放大器电路中的RFI整流误差5-8设计实用的RFI滤波器5-8用试选法选择RFI滤波器元件值5-10具体的设计案例5-10用于AD620系列仪表放大器的RFI抑制电路5-10用于微功耗仪表放大器的 RFI 抑制电路5-11用于A

8、D623仪表放大器的RFI抑制电路5-12用于AD8225仪表放大器的RFI抑制电路5-12采用X2Y电容器的共模滤波器5-13用于仪表放大器RFI滤波器的共模 RF扼流圈5-14RFI测试5-15采用低通滤波器提高信噪比5-15外部调整CMR和建立时间5-17第章仪表放大器与差分放大器的应用电路6-1复合仪表放大器电路具有优良的高频CMR6-1采用AC激励的应变计测量6-2AD628精密增益IC的应用6-3为什么使用一种增益IC ？6-3具有单极点LP滤波器的标准差分输入ADC缓冲器6-4改变输出比例系数6-4用一只外部电阻器设置AD628的0.1以下增益6-4具有双极点LP滤波的差分输入电

9、路6-5用AD628构成精密增益IC6-6用AD628接成10或者10精密增益6-6用AD628接成11精密增益6-7用AD628接成1精密增益6-8用前馈增加带宽提供9.91增益6-8iv电流变送器抑制接地噪声6-9高幅度模拟输入ADC接口6-10高速同相求和放大器6-11高电压监测电路6-13单电源高CMR电路6-1348V总线精密监测电路6-15采用低端开关的高端电流检测6-16采用高端开关的高端电流检测6-17电桥应用6-17标准电桥电路6-17单电源数据采集系统6-18低压降双极性电桥驱动器6-18传感器接口的应用6-19医用心电图仪的应用6-19远程负载检测技术6-21精密电压电流

10、转换器6-22电流传感器接口6-22输出缓冲低功耗仪表放大器6-234 mA20 mA单电源.6-23单电源热电偶放大器6-24专业音频产品6-24第章仪表放大器与现代ADC匹配7-1计算对ADC分辨率的要求7-1ADI公司仪表放大器与现代ADC匹配7-2高速数据采集7-4用于高速数据采集的仪表放大器电路7-6附录A 仪表放大器技术指标A-1（A）技术指标(工作条件) .A-3（B）CMR .A-3（C）AC CMR .A-3（D）失调电压 .A-3（E）输入偏置电流和失调电流 .A-4（F）工作电压范围 .A-4（G）静态电源电流 .A-4（H）建立时间 .A-5（I）增益 .A-5（J）增

11、益范围 .A-5（K）增益误差 .A-5（L）非线性误差 .A-6（M）增益与温度的关系 .A-6（N）单电源仪表放大器的关键技术指标 .A-6输入和输出电压摆幅 .A-6附录B 差分放大器和仪表放大器选择表B-1索引C-1产品索引D-1v参考文献Brokaw, Paul. “An IC Amplifier Users Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change.” Application Note AN-202. Analog Devices, Inc., 1990.Jung, Walter.

12、 IC Op Amp Cookbook. 3rd ed. Prentice-Hall PTR, 1986, 1997, ISBN: 0-13-889601-1. This can also be purchased on the Web at .Jung, Walter. Op Amp Applications Book. Analog Devices Amplifier Seminar. Code: OP-AMP-APPLIC-BOOK. Call: (800) 262-5643 (US and Canadian customers onl

13、y).Kester, Walt. Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning. Analog Devices, Inc., 1999, Section 10. ISBN-0-916550-20-6. Available for download on the ADI website at .Nash, Eamon. “Errors and Error Budget Analysis in Instrumentation Amplifier Applications.” Application

14、Note AN-539. Analog Devices, Inc.Nash, Eamon. “A Practical Review of Common-Mode and Instrumentation Amplifiers.” Sensors Magazine,July 1998.Sheingold, Dan, ed. Transducer Interface Handbook. Analog Devices, Inc. 1980, pp. 28-30.Wurcer, Scott and Jung, Walter. “Instrumentation Amplifiers Solve Unusu

15、al Design Problems.” Application Note AN-245. Applications Reference Manual. Analog Devices, Inc.致谢我们衷心感谢给予支持和帮助的 ADI 公司的以下同事：Moshe Gerstenhaber, Scott Wurcer, Stephen Lee, Alasdair Alexander, Chau Tran, Chuck Whiting, Eamon Nash ,Walt Kester, Alain Guery, Nicola OByrne, James Staley, Bill Riedel, S

16、cott Pavlik, Matt Gaug, David Kruh, Cheryl OConnor, 和Lynne Hulme。感谢 X2Y 科技有限公司的David Anthony 和韦尔设计工程公司的Steven Weir 提供了关于 X2Y 产品用于RFI 抑制的详细应用信息。最后，特别感谢 ADI 公司的通信服务团队，包括 John Galgay, Alex Wong , Deb Schopperle 和Paul Wasserboehr。本书提到所有的品牌或者产品名称都属于各自所有权的商标或者注册商标。Purchase of licensed components of Analog

17、 Devices or one of its sublicensed Associated Companies conveys a license for the purchaser under the Philips I2C Patent Rights to use these components in an I2C system, provided that the system conforms to the I2C Standard Specification as defined by Philips.vi第章仪表放大器的基本原理电桥电源电压前言仪表放大器有时被错误地理解。不是所有

18、用于仪器仪表的放大器都是仪表放大器，并且所有的仪表放大器决不只用于仪器仪表。仪表放大器用于许多领域，从电动机控制到数据采集以及汽车系统。本书的目的是阐述什么是仪表放大器，它的工作原理怎样，如何使用它以及在何处使用它等基本问题。另外，本书还介绍几种不同类型的仪表放大器。 仪表放大器与运算放大器的区别是什么？仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值109 。其输入偏置电流也应很低，典型值为 1 nA 至 50 nA。与运算放大器一样，其输出阻抗很低， 在低频段通常仅有几毫欧（m）。图 1-1. AD8221 电

19、桥电路DC 失调电压和噪声之中。由于这种原因，即使最好的运算放大器也不能有效地提取微弱信号。图 1-2 对比了运算放大器与仪表放大器输入特性之间的差别。运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定。与放大器不同的是， 仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络，它与其信号输入端隔离 。对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置， 该增益电阻器也与信号输入端隔离。信号放大与 CMR仪表放大器是一种放大两输入信号电压之差而抑制对两输入端共模的任何信号的器件。因此，仪表放大器在从传感器和其它信号源提取微弱信号时提

20、供非常重要的功能。图 1-1 示出一个电桥前置电路，一种典型的仪表放大器应用。当检测信号时，电桥电阻器阻值改变，使电桥失去平衡并且在电桥两端产生一个差分的电压变化。该电桥的信号输出就是这种差分电压， 将其直接连接到仪表放大器的输入端。此外，恒定的直流（DC）电压也施加到两输入端。这种直流电压通常在两输入端是相等的或是共模的。关于仪表放大器的主要作用，它通常抑制共模 DC 电压或者对两输入端共模的任何其它电压，同时放大差分信号电压，即两输入端之间的电压差。共模抑制（CMR）是指抵消任何共模信号（两输入端电位相同）同时放大差模信号（两输入端的电位差）的特性，这是仪表放大器所提供的最重要的功能。DC

21、 和交流（AC）CMR 两者都是仪表放大器的重要技术指标。使用现代任何质量合格的仪表放大器都能将由于 DC 共模电压（即，出现在两输入端的 DC 电压）产生的任何误差减小到 80 dB 至120 dB。然而，如果 AC CMR 不够大会产生一种很大的时变误差。因为它通常随着频率产生很大变化，所以要在仪表放大器的输出端消除它是困难的。幸好大多数现代单片集成电路（IC）仪表放大器提供了优良的 AC CMR 和 DC CMR。相反，如果在此应用中采用一只标准的运算放大器，它仅仅能放大两端的信号电压和任何 DC 信号、噪声或其它共模电压。因此，该信号会淹没在1-1共模增益（ACM）是指输出电压变化与共

22、模输入电压变化之比，它与CMR有关。ACM是指两个输入端施加共模电压时从输入到输出的净增益（衰减）。例如，一个仪表放大器的共模增益为 1/1000， 其输入端的 10 V共模电压在其输出端会呈现出 10 mV的变化。差模增益或常模增益（AD）是指两个输入端施加（或跨接）不同的电压时输入与输出之间的电压增益。共模抑制比（CMRR）是指AD与ACM 之比。请注意在理想的仪表放大器中，CMRR将成比例随增益增加。数学上，CMRR 可用下式表达： VCMRR = AD CM VOUT 其中AD是放大器差模增益。VCM是呈现在放大器输入端的共模电压。VOUT是当共模输入信号施加到放大器时呈现的输出电压。

23、CMR 是 CMRR 的对数表达形式，即：CMR = 20Log10 CMRRCMR 通常是在给定频率和规定不平衡源阻抗条件下（例如，60 Hz 频率，1 k 不平衡源阻抗） 对满度范围共模电压（CMV）的变化规定的。为了使仪表放大器有效工作，要求它既能放大微伏（V）级信号，同时又能抑制输入端的共模电压。这对于在有用带宽内能够抑制共模信号的仪表放大器来说是特别重要的。这要求仪表放大器在有用的主要频率及其谐波范围内具有非常高的 CMR。在线电流测量仪表放大器具有非常高的输入阻抗并且两端输入阻抗紧密匹配，使其适合测量低电压和小电流不降低输入信号源的带载能力。仪 表 放大器参考电压典型仪表放大器输入

24、阻抗很高并且两端输入阻抗相等。由于输入电流微弱， 因此IBBR产生很小的误差电压。 器用电桥测量电仪表放大器输入特性 典型运放 典型运放 图示为典型运放在反向放大工作方式下的输入阻抗 如输入端所示图示为典型运放在开环条件下的输入阻抗 运算放大器输入特性图 1-2. 运算放大器与仪表放大器输入特性比较1-2仪表放大压对于如何降低由于频带外的信号可能产生的DC 输出失调误差的方法，请参考本书的有关 RFI 章节。图 1-3a示出一个运算放大器，与其连接的输入信号源叠加在一个共模电压之上。因为反馈是从外部施加在输出与求和节点之间，所以迫使“”输入端的电压与“”输入端的电压相同。所以该运算放大器的两输

25、入端之间的电压理想情况下应为 0 V。因此，对应于 0 V差分输入，该运算放大器的输出端电压必须等于VCM。在单位增益（G = 1）时，典型的 DC CMR 值为 70 dB 至 100 dB 以上；在高增益时，通常 CMR 得到改善。虽然接成减法器方式的运算放大器确实也可提供 CMR，但是用户必须提密匹配电阻（以提供足够大的 CMR）。然而，带有预调整电阻网络的单片仪表放大器应用起来非常方便。虽然运算放大器具有 CMR，但是共模电压与信号电压一起被传送到输出端。实际上，信号通过运算放大器的闭环增益被放大而共模电压仅得到单位增益。这种在增益方面的差异确实能按照信号电压的百分比对共模电压提供一些

26、衰减。然而，共模电压依然出现在输出端并且它的存在降低了放大器的有效输出范围。由于许多原因，出现在运算放大器运算放大器与仪表放大器的 CMR 比较运算放大器、仪表放大器和差分放大器都可以提供CMR。然而，仪表放大器和差分放大器适合用于抑制共模信号以便它们不在其放大器的输出端出现。相反，按照典型的反相或同相放大器方式工作的运算放大器处理共模信号，将其送至输出端，但是通常并不抑制它们。VOUT =(VIN GAIN) VCMR2G = R2/R1共模增益 = 1V = VCMVCMR1VCM VIN0 VVOUTV+ = VCM图 1-3a. 在利用运算放大器构成的一个典型的反相或同相放大器电路中，

27、 信号电压和共模电压都出现在放大器的输出端。1-3图1-3b 示出一个三运放仪表放大器的运算放大器，工作在上述相同条件下。请注意，像运算放大器电路一样，仪表放大器的输入缓冲放大器以单位增益通过共模信号。相反，两个缓冲器放大信号电压。来自两个缓冲器的输出信号连接到该仪表放大器的减法器单元。在这里（通常以低增益或单位增益）放大差分信号，而衰减（典型值为 10,0001 或以上）共模电压。对比以上两个电路，两者都提供信号放大（和缓冲）功能，但是由于仪表放大器的减法器单元的作用，仪表放大器抑制了共模电压。图 1-3c 示出一个仪表放大器电桥电路。该仪表放大器有效地抑制了出现在电桥两个输出端的 DC 共

28、模电压，同时放大了非常微弱的电桥信号电压。另外，许多现代仪表放大器提供高达80 dB 的CMR， 并允许使用低成本、非稳压的 DC 电源激励电桥。相反，一种利用三只运算放大器和一些 0.1%精度电阻器自己搭成的仪表放大器，通常 CMR 只能达到48 dB CMR，因此需要一种经过稳压的 DC 电源来激励电桥。VOUT = VIN G VCM缓冲器减法器VCMVOUTVCMVINRGVIN GVCM = 0VCMVCM缓冲器图 1-3b. 正如上述运算放大器电路，仪表放大器电路的输入缓冲器放大信号电压，同时以单位增益通过共模电压。然而，仪表放大器的减法器单元却能抑制共模电压。电源电压VCM电桥传

29、感器VOUTVIN仪表放大器VCM内部或外部增益电阻器图 1-3c. 用于电桥电路的仪表放大器。这里的 DC 共模电压很容易接近电源电压1-4三运放仪表放大器图 1-3d 示出一个差分（减法器）放大器，它用于监测电池组中一节电池的电压。这里的 DC 共模电压会很容易超过放大器的电源电压。有些单片差分放大器（例如 AD629）可以在高达270 V 共模电压条件下工作。许多差分放大器都适合用于共模电压和信号电压可能很容易超过电源电压的应用场合。这些差分放大器通常采用阻值很高的输入电阻器以衰减信号电压和共模输入电压。在何处使用仪表放大器和差分放大器？ 数据采集仪表放大器的主要用途是放大噪声环境中传感

30、器输出的弱信号。对压力传感器或温度传感器信号的放大是常见的仪表放大器应用。普通的电桥应用包括使用负荷传感器的应变力和重量测量以及使用电阻温度检测器（RTD）的温度测量。差分放大器图 1-4 示出一个差分放大器的框图。这种类型的 IC 是一种特殊用途的仪表放大器，它通常由一个减法器放大器及其随后的一个输出缓冲器（也许是一级增益）组成。用于减法器的四只电阻器通常在IC 内部，所以它们能够精密匹配以达到高 CMR。差分放大器380kVCM380k VINVOUT380k VCM380k图 1-3d. 差分放大器在 DC（或 AC）共模电压可能超过电源电压的应用场合（例如检测电池组中的一节电池的电压）

31、特别有用。差分输入信号到图 1-4. 差分放大器 IC1-5医用仪器仪表放大器广泛用于医用设备，例如心电图仪和脑电图仪、血压计以及除颤器。高速信号调理由于当今视频数据采集系统对速度和精度要求的提高，对宽带仪表放大器的需求不断地增加，尤其是在要求进行失调修正和输入缓冲的 CCD 成像设备领域。这个领域通常采用双修正采样技术对CCD 图像进行失调修正。用两个采样保持放大器监测图像和参考电平并把其信号电压送入一个仪表放大器提供一个 DC 修正输出。监测和控制电子设备差分放大器可用于监测系统中的电压和电流并且当超过正常值后触发报警系统。由于差分放大器具有抑制高共模电压的能力，因此它们经常用于这类应用。

32、视频方面的应用在许多视频和电缆射频（RF）系统中都使用高速仪表放大器用来放大或处理高频信号。软件可编程方面的应用仪表放大器可用于具有软件可编程电阻器的芯片以允许软件控制硬件系统。功率控制方面的应用仪表放大器还可以通过测量电动机的电压、电流和三相 AC 电动机的相位关系来监控电动机（监测和控制电动机的转速、转矩等）。差分放大器用于输入信号电压超过电源电压的场合。音频方面的应用由于仪表放大器具有高 CMR，所以有时将它们用于音频方面（例如传声器前置放大器），用于提取噪声环境中的微弱信号以及最大限度减小由于接地环路引起的失调电压和噪声。请见表 6-4 ADI 公司的音频专用产品（第 6-24 页）。

33、仪表放大器的外部特性图 1-5 示出仪表放大器的功能框图。噪声增益选择信号源同相输入 一种是连接有关引脚，另一种是使用外部电阻器。电源地负载返回图 1-5. 差分与共模输入信号1-6仪表放大器噪声 反相输入负载 共模电压噪声增益选择有两种方法：由于一个理想的仪表放大器仅检测两输入端的电压差，所以任何共模信号（即对两个输入端有相同电位），例如噪声和地线中的电压降，都在输入级被抑制，而不进行放大。当然，必须对仪表放大器提供电源。像运算放大器一样，通常采用双电源对仪表放大器供电，使其在规定范围内正常工作。另一方面，仪表放大器也可采用单电源（满电源摆幅）正常工作。可以利用内部电阻器或者外部电阻器设置仪

34、表放大器的增益。内部电阻器最精确并且提供最低的增益对温度的漂移。一个仪表放大器可以是用一个或多个运算放大器及一些电阻器构成的分立式结构，也可以设计成单片式结构，两种方法各有优缺点。一种常用的方法是用一只外部电阻和两只内部电阻一起设置增益。用户根据仪表放大器产品技术资料中给出的增益公式能够计算出对于一个给定增益所需的电阻值。这允许在一个非常宽的范围内设置增益。然而，外部电阻很少能够精确到所要求增益的准确电阻值，并且它总是与 IC 内部的电阻器有轻微的温度上的差异。这些实际问题总是产生附加的增益误差和增益漂移的原因。通常分立式结构仪表放大器可以低成本提供设计灵活性，并且有时能提供单片式结构无法达到

35、的性能，例如甚高频带。相反，单片式结构提供了完整的仪表放大器功能，完全达到规定的技术指标， 并且通常出厂时经过微调，通常其 DC 精度高于分立式结构。单片式仪表放大器还具有尺寸非常小、成本低并且简单易用的优势。表征高品质仪表放大器的其它特性是什么？具有高CMR 的仪表放大器需要下述一些特性。有时使用两只外部电阻器设置增益。通常双电阻器解决方案比单电阻器具有较低的漂移，因为利用两只电阻器阻值的比率设置增益，并且这两只电阻器封装在一颗 IC 内以便精密匹配和具有非常接近的温度系数（TC）。相反地，一只外部电阻器的 TC 总是与芯片内电阻器的 TC 不匹配。高 AC（和 DC）CMR至少在需要抑制的

36、输入频率范围内，仪表放大器的 CMR 应该很高。这包括在输电线频率及其二次谐波频率范围具有高 CMR。低失调电压和低失调电压漂移像运算放大器一样，仪表放大器必须具有低失调电压。由于仪表放大器由两个独立的部分组成： 输入级和输出级。总输出失调等于输入失调乘以增益加上输出放大器（仪表放大器内部的）失调。输入失调和输出失调的典型值分别为 1 V/和 10 V/。虽然初始失调电压通过外部调整为零，但失调电压漂移不能够通过调整来消除。像失调电压一样，仪表放大器的失调漂移也由两部分组成，即输入部分和输出部分，每一部分都对总误差起作用。当增益增加时，输入级的失调成为主要的失调误差源。仪表放大器的输出通常有它

37、自己的参考端，包括其它用法，它允许仪表放大器用来驱动一个可能配置在远端的负载。图 1-5 示出输入地和输出公共端都被返回到同一电位，在本例中返回到电源地。这种星形接地对减小电路中的接地环路是一种非常有效的方法；但是一些残留的共模地电流仍然会存在，这些电流流过RCM将产生共模电压误差VCM。仪表放大器依靠高CMR特性放大差分信号的同时抑制VCM和任何共模噪声。1-7匹配的高输入阻抗仪表放大器的同相输入端的和反相输入端的阻抗必须很高而且相互之间紧密匹配。为避免降低输入信号源的带载能力（也会下降输入信号电压）， 仪表放大器的高输入阻抗是必须的。低噪声因为仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，所以它

38、绝对不能把自身的噪声信号加到信号电压上。在 1 kHz（增益大于 100）的条件下，折合到输入端（RTI）的最小输入噪声为 10 nV/Hz 是允许的。微功耗仪表放大器适合于尽可能最低的输入电流，通常比输入电流较大的仪表放大器具有较高的噪声。输入阻抗的典型值为 109 至 1012 。差分放大器（例如AD629）具有较低的输入阻抗，但是在高共模电压的应用方面非常有效。低非线性输入失调和比例系数误差都能通过外部调整来修正，但是非线性是器件的固有的性能限制，所以它不能由外部调整来消除。低非线性误差必须由仪表放大器生产厂家的结构设计来保证。非线性通常规定为在正满度电压与负满度电压及零电压条件下，厂家

39、测量仪表放大器的误差占满度的百分数。对于一个高质量的仪表放大器典型的非线性误差为0.01%，有的甚至低于 0.0001%。低输入偏置电流和低失调电流误差还像是运算放大器一样，仪表放大器具有偏置电流流入和流出它的两个输入端：对于双极型输入仪表放大器是基极电流；对于场效应管（FET）输入仪表放大器是栅极漏电流。这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。应当注意， 如果输入源电阻无限大，例如用 AC（电容）输入耦合而没有一个电阻性的路径返回到电源地，输入共模电压将上升直到放大器处于饱和状态。为防止这一问题，通常用一只高阻值的电阻把每个输入端和地相连。用输入偏置电流乘以电阻的欧姆值后其典型

40、值应小于 10 mV（见第章）。输入失调电流误差被定义为流过两个输入端的偏置电流之间的失配程度。双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为 1 nA 至 50 nA；而 FET 输入仪表放大器的偏置电流在室温下的典型值为 1 pA 至 50 pA。增益选择方便增益选择应该很容易。通常采用一只外部增益电阻设置增益，但是外部电阻会影响电路的精度并且增益随温度漂移。仪表放大器（例如 AD621）提供一种通过引脚选择内部预置增益的方法，并且具有非常低的 TC。充裕的带宽仪表放大器对于具体的应用必须提供足够的带宽。因为典型的单位增益小信号带宽是在 500 kHz 到 4 MHz 之间，在低增益时带宽容易达到

41、，但是在较高增益时带宽会成为较大的问题。微功耗仪表放大器通常比标准的仪表放大器具有较低的带宽，因为微功耗仪表放大器输入级的工作电流比标准仪表放大器小很多。1-8差分输入到单端输出的转换当然，差分输入到单端输出的转换是构成仪表放大器完整功能的一部分：放大和缓冲差分输入电压，提供单端输出电压。在许多仪表放大器应用中需要放大叠加在高共模电压之上的差分电压。这种共模电压可能是噪声、模数转换器（ADC）失调电压或者两者兼有。如果用运算放大器而不用仪表放大器只能简单地以相同增益一起放大共模电压和信号电压。而仪表放大器提供的最大优点是选择性地放大（差分）信号同时抑制共模信号。义是指放大器的最大输入摆幅或输出

42、摆幅几乎等于电源电压。实际上，输入摆幅有时会稍微超过电源电压，而输出信号常常在高于地电位或低于电源电压 100mV 范围内摆动。请仔细注意推荐的产品技术资料中的技术指标。电源与带宽、转换速率和噪声之间的关系按照一般规律，仪表放大器的输入部分的工作电流越大，其带宽和转换速率越高并且噪声越低。但是较大的工作电流意味着较大的功耗及发热。电池供电的设备需要低功耗的器件，布线密集的印制电路板（PCB）必须能够散发掉所有有源器件产生的热量。器件发热又会增加失调漂移和其它与温度相关误差。IC 应用工程师经常必须以牺牲一些技术指标为代价来维持功耗和漂移达到可接受的水平。R-R 输入和输出现代仪表放大器常常需要

43、 5 V 或低于 5 V 的单电源电压供电。在许多这类应用中，经常用到满电源摆幅(R-R)输入 ADC。所谓满电源摆幅工作的含1-9第章仪表放大器的内部原理单运放减法器提供的仪表放大器功能实现差分增益电路的最简单（但是却非常实用） 的方法如图 2-1 所示。另外，这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。例如，当增益等于 1 时， 所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电阻值有 0.1% 失配，其CMR 便下降到 66 dB（2000:1）。同样，如果源阻抗有 100 的不平衡将使CMR下降 6 dB。反相输入端

44、尽管有这些缺点，这种简单的仪表放大器电路在高性能仪表放大器内部作为一个单元电路还是很有用的，通常称之为差分放大器或减法器。它在视频和其它高速应用中，或者在低频、高共模电压（CMV）应用中可作为一个独立功能电路也是非常有用的，其中输入电阻器用来隔离降低输入电压， 也为该放大器提供输入保护。有些单片差分放大器， 例如 ADI 公司的 AD629 在芯片设计时对这种简单的减法器电路做了改进。这样允许该芯片能够处理高于自身电源电压的共模输入电压。例如，当AD629 采用15 V 电压供电时，它可以放大叠加在高达270 V 共模电压上的信号电压。当 同相输入端图 2-1. 用单运放实现仪表放大器的差分放大器电路功能框图如果R1 R3，R2 R4，则VOUT = (VIN2VIN1)(R2/R1)虽然这一电路提供了仪表放大器功能